В современном мире атомные реакторы не используются для запусков в космос с момента окончания советского периода, но ситуация постепенно меняется. Илон Маск рассматривает возможность применения атомной энергетики для колоний на Марсе, а в России разрабатываются проекты лунных АЭС. Несмотря на то, что условия для солнечной энергии в космосе предпочтительнее, чем на Земле, космическая отрасль все чаще обращает внимание на атомные реакторы. Что заставляет эту отрасль всё чаще думать об атомных реакторах? Удивительно, но ядерная энергетика в космосе становится еще более важной, чем на Земле. Почему так происходит – попробуем разобраться.
Девяносто девять процентов используемой нами энергии Вселенной исходит из ядерных реакций, остальные проценты — от их производных различных порядков.
Об энергии, которая образуется слиянием атомов водорода в звёздах и распадом радиоактивных изотопов на Земле.
Второе производное слияния ядер атомов — солнечный свет. Внешние слои Солнца не подвержены термоядерным реакциям, но нагреваются до тысяч градусов и излучают энергию, освещая и согревая нашу планету. Энергия атомных ядер имеет производные третьего порядка: например, дрова, полученные из деревьев, использующих солнечную энергию. И даже четвертого порядка: растения, покрывавшие землю зеленым ковром в прошлом, после смерти дали углеводороды, которые со временем превратились в нефть и газ.
В течение нескольких миллионов лет люди прибегали к источникам энергии, основанным на атоме третьего порядка. Сначала это были дрова, потом уголь, далее нефть и газ. Метан пока не завершил своё развитие в качестве источника энергии, но его всё же используют, например, для авиации.
Эволюция исходила из простого принципа: энергия древесины разряжена, поэтому добыча ее оказывается либо затратной, либо неудобной. Энергия ископаемого топлива более сконцентрирована, но у нее тоже есть изъяны. Главный — это конечность запасов. Неизбежно, что объем древней растительности, превратившейся в нефть и газ, не безграничен.
Вопрос приобретает особую актуальность при освоении космоса. Инженер Роберт Зубрин назвал распространение идей о ненужности космических полетов «тенденцией к темным векам». Ученые не сомневаются в том, что человечество либо освоит космос, либо погибнет.
В течение тысяч лет жизнь на планете достаточно безопасна, но через миллион лет ситуация меняется. Астероиды уже неоднократно уничтожали все крупные наземные виды планеты, поэтому наивно надеяться на то, что в будущем будет иначе. Хочет человек этого или нет, ему придётся сделать Солнечную систему своим «задним двором», чтобы выжить и на Земле.
В космосе не представляется возможным использовать третичные производные энергии атома: там либо отсутствуют уголь и углеводороды, либо нет кислорода для их сжигания. Человечество, осваивая космическое пространство, сталкивается перед важным выбором: перейти к получению энергии напрямую из производной атомной энергии (солнечного света) или же переключиться на саму атомную энергию.
В течение десятилетий ученые и футурологи исследуют, каким будет энергетическое будущее людей в космосе. Существуют две основные точки зрения. Согласно первой, солнечные электростанции станут основным источником энергии. В рамках этого подхода разрабатывается концепция сферы Дайсона — огромного массива станций, вращающихся вокруг Солнца и получающих от него энергию. Энергию передают на Землю или базы Луны и Марса с помощью лазеров или микроволновых излучателей.
В середине XX века Айзек Азимов в цикле «Основание» предложил второй подход к обеспечению энергией в космосе: АЭС стали главным источником из-за своей компакности и небольшого объема используемых материалов.
Так кто же из них победит в обозримом будущем?
Как работает атомная энергия в космосе
Космические атомные реакторы отличаются от наземных энергоблоков. Космос требует компактности из-за ограниченного места под обтекателями ракет и массы полезной нагрузки. Дефицит пресной воды также исключает, до плотной колонизации Марса, использование водяного теплоносителя.
В США в начале космической эры при столкновении с проблемами попытались обойти их минимальным изменением конструкции: применяли турбины с другим рабочим телом (например, инертным газом вместо водяного пара). Такая система оказалась громоздкой (газ обладает малой теплоемкостью, поэтому активная зона должна была стать слишком большой), да еще склонной к поломкам.
По этой причине США прибегли к более простым радиоизотопным генераторам. В них активный изотоп (например, плутоний-238) испускает частицы, нагревая полупроводник, а тот от нагрева начинает пропускать ток. Эти «ядерные батарейки» снабжают энергией все дальние космические зонды — от «Вояджеров» до «Кассини» — и даже марсоходы. Но важно помнить, что их возможности — сотни ватт, максимум киловатты, поэтому для решения действительно масштабных задач они не подходят.
Эти ограничения — не только минусы, но и плюсы, если проектировать атомные реакторы иначе. В США в 1965 году (SNAP-10A), а в СССР в 1970-м («Бук») запустили в космос реакторы, где тепло от распада атомов преобразовывали в электричество термоэмиссионными преобразователями. Суть их работы проста: многие металлы при нагревании до сотен градусов начинают испускать электроны.
SNAP-10A и «Бук» применяли высокообогащенный уран, почти оружейный, из-за необходимости весового совершенства в космосе. Топливо с обычным обогащением будет слишком тяжелым. Тепло от стержней с топливом в обоих случаях отводилось смесью натрия и калия, которая может быть опасна на Земле: на воздухе она сама начинает гореть.
В космическом пространстве нет горючего, зато натрий и калий почти не замедляют нейтроны, что позволяет создавать очень компактные реакторы. Кроме того, металлы нагреваются до температур, при которых эффективно работает термоэмиссионное преобразование — также крайне компактный процесс без движущихся частей, как в турбинах наземных АЭС. Американцы запустили один такой реактор, но его эксплуатировать не удалось: спутник, где он функционировал, вышел из строя. СССР запустил в космос 31 ядерный реактор типа «Бук» и успешно использовал их до конца своего существования.
В перспективных проектах «космических» реакторов применяются и экзотические теплоносители, например, самый легкий металл — литий. Термоэмиссионный преобразователь остается их ключевым компонентом, его КПД вырос с 3% у «Бука» до 10% у лучших перспективных проектов.
Рассмотрев функционирование космического реактора, перейдём к его роли в освоении космоса.
Луна: солнечная энергия или атомная?
Сегодня создание баз на других телах Солнечной системы обсуждают в основном западные исследователи. Российская космическая отрасль пока не высказывала таких планов или держит их в секрете.
С 2007 года в информационном пространстве появляются планы строительства российской лунной базы. Первый предполагаемый срок её завершения — 2015 год, затем дата сдвигалась на 2020-й. Дмитрий Рогозин… заявил О возможности создания такой базы совместно с Китаем можно говорить, но конкретной информации об этих планах крайне мало. Даже ракеты, способные лететь на Луну, у «Роскосмоса» пока нет (впрочем, и у КНР тоже), а конкретные сроки их создания госкорпорация не озвучивает. В то время как в США сейчас строят две подобных ракеты (SLS и Starship), и одна из них в следующем году должна начать полеты. Планы «гелиоцентрические», следуя западной моде.
Соединенные Штаты рассматривают возможность строительства базы на Луне около пиков вечного света — лунных гор вблизи полюсов спутника Земли, где Солнце почти не заходит.
Из-за слабого угла наклона оси вращения у Луны «зимой» ее северный полюс достаточно сильно остается под солнцем, и нет зимних провалов освещения, как на Земле.
Японское космическое агентство предлагало план «энергетической колонизации» Луны, при котором ее экватор опоясала бы лента из солнечных батарей. При ночном освещении одной стороны Луны энергия по кабелю (сверхпроводящему и пролегающему под массивом солнечных батарей) поступала бы с дневной стороны, и наоборот.
Два плана кажутся разумными до тех пор, пока не обратим внимание на детали. Исследовательская станция потребует постоянного энергоснабжения. Но зонд… Lunar Reconnaissance OrbiterОбъекты, принадлежащие NASA, обнаружили около десяти лет назад, что на Луне нет вечно освещаемых солнцем приполярных пиков. Есть точки с почти постоянным светом (94% лунного года), но там происходят затмения, когда Земля находится между Луной и Солнцем или тени гор перекрывают видимость Солнца. Длительность таких затмений доходит до 43 часов.
Для лунной базы необходим набор солнечных батарей и литиевых батарей, которые смогут хранить энергию на пару суток работы. Пока база небольшая и обслуживается ограниченным составом персонала, такая система вполне осуществима. С ростом размеров и численности персонала реализация подобной схемы будет сложнее.
Но существует и более существенная помеха для сценария «пиков вечного света». созданная Основываясь на стихотворении Льва Толстого «гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить», 94% от продолжительности года освещаются только горы кольца, окружающего кратер Шеклтон у южного полюса Селены. Общая площадь такого уникального региона — десять квадратных километров.
Однако еще в 2005 году исследователи NASA отметилиВнутри кратера стены круто обрываются вниз, что затруднит исследование его автоматами практически невозможно. На внешней стороне построить базу непросто: под постоянным солнечным светом поверхность Луны нагревается до плюс 130 градусов. К тому же склоны «пиков вечного света» там также достаточно крутые.
Наука открыто сообщала: современные скафандры для Луны очень тяжелы (более 100 килограммов в западной версии) — настолько, что астронавт, упавший в них, без помощи едва сможет подняться. В таких условиях даже изучение мест становится сложным делом.
Установка солнечных батарей на крутых склонах и прокладка кабелей до базы — это задачи, требующие решения. Обеспечить бесперебойную работу оборудования при постоянном сильном нагреве лунного грунта также важно.
Следует помнить, что путь от места посадки модуля до базы может быть весьма удален из-за непростой местности. Два первых астронавта чуть не погибли, пытаясь сесть на пересеченной местности. Посадка должна быть запланирована в районе, достаточно отдаленном от края кратера, иначе прилунившиеся могут погибнуть.
Но этого недостаточно. В 2014 году группа учёных из компании «Энергия» выпустила специализированное отчет Для обеспечения работой научно-исследовательской лунной базы численностью десять человек понадобится не менее ста киловатт постоянного тока.
Для обеспечения энергопотребления даже при условиях затемнения необходимы солнечные батареи общей площадью не менее 250 квадратных метров, например, из арсенида галлия с КПД 40%. Минимальная емкость накопителей энергии во время затмения должна составлять мегаватт-часы. Даже при объёме в один мегаватт-час вес такой системы будет не менее пяти тонн.
По расчётам авторов работы, «солнечное электричество» на «пиках вечного света» Луны обойдется в 13,25 долларов за киловатт-час, а атомное — при мощности реактора в 600 киловатт — в 12,6 доллара за киловатт-час. При этом тепло от солнечной батареи будет стоить… 5,0 цента за килокалорию, а от атомного реактора — 1,5 центаЗачем тепло на Селене, особенно у пика вечного света, где вопрос скорее в том, как от него избавиться?
Там остро ощущается потребность в тепле и она очень велика. Установка базы на вечном солнце — нерациональное решение. Солнечный свет может перегреть ее наружные стенки, требуется защита толстым слоем грунта. В случае солнечной бури выход на поверхность «пиков вечного света» — опасный поступок, поскольку уровень протонов от Солнца будет слишком высок.
При размещении базы в тени радиация не станет серьёзной проблемой, но потребуется обогрев. Тепло также необходимо для таяния водяного льда в кратере Шеклтона: из него можно получать кислород для дыхания. водород для компонентов ракетного топлива.
При расходе энергии свыше 500 киловатт лунная база практически вынуждена будет применять атомный реактор. Авторы исследования подчеркивают: база с более чем десятью сотрудниками и добычей ресурсов из местного льда нуждается в сотнях киловатт, поэтому АЭС представляется самым разумным вариантом.
Если база не расположена у кратера Шеклтона, где условия особые, размещение её в произвольной точке лунной поверхности станет проблематичным. Затраты на накопители энергии для лунных ночей и затмений сделают даже самые эффективные солнечные батареи более дорогим источником энергии, чем атомный реактор.
Важность расходов отходит на второй план при обсуждении космоса.
Более существенным является размер и масса грузов, предназначенных для доставки на базу. Атомный реактор с термоэмиссионным преобразователем тепла в электричество обладает компактными размерами, позволяя разместить его под обтекателем даже не самой большой ракеты.
Солнечные панели, мощностью сотни или тысячи киловатт, такой возможности не обладают. Их производство на Луне из местных ресурсов без крупного завода невозможно, поэтому при серьёзном освоении спутника лунная атомная станция становится единственным вариантом.
Теория о том, что никто не рискнёт вывозить атомный реактор в космос, также не является преградой. Во-первых, до запуска реактор не содержит сложных изотопов, которые образуются за его рабочий цикл. Во-вторых, в космос регулярно летают более радиационно опасные вещества: например, российский плутоний-238 на борту «Кьюриосити» или американский плутоний-238 на борту «Персеверанс». Причины отсутствия протестов очевидны: при типичной аварии заражение зоны распространения будет слишком малым, чтобы иметь какие-либо последствия.
Исследование и колонизация Красной планеты и других небесных тел Солнечной системы.
На четвёртой планете нашей системы солнечная энергия, удивительно, перспективнее, чем на Земле. На квадратный метр марсианской поверхности приходится 590 ватт энергии, а земной — 1000 ватт. Однако на нашей планете в атмосфере много облаков, которых практически нет на Марсе. Поэтому стандартная неподвижная кремниевая солнечная батарея с КПД 25% выработает от 200 киловатт-часов в год (в средней полосе России) до 600 киловатт-часов (в безоблачной пустыне).
Выработка энергии на Марсе составит те же 600 киловатт-часов, что и в Сахаре. Такая солнечная энергетика стабильно работает 12 часов в сутки, без влияния облаков и с высокой производительностью по меркам более освещенной Земли.
Однако существуют нюансы: это справедливо только для небольших баз. Марс расположен далеко, его гравитация составляет 0,38 земной, и вернуться туда за разумные деньги можно, только получая топливо для обратного полета на месте. Илон Маск планирует осуществлять это с использованием углекислого газа марсианской атмосферы и водорода из марсианской воды (ее там в виде льда достаточно много). Но для этого необходим электролиз воды и заметные тепловые расходы на поддержание температуры, нужной для реакции Сабатье.
Солнечная энергия на Марсе доступна только днем. Перевозить с Земли батареи для нее затруднительно из-за большой их массы. Мини-заводы по производству ракетного топлива для обратного пути смогут использовать либо солнечные панели (и производить топливо вдвое медленнее), либо миниатюрные АЭС (и делать это в два раза быстрее). В первом случае завод нужно будет сделать вдвое производительнее, то есть и вдвое тяжелее, чем при использовании АЭС. Вопрос массы при освоении Марса будет острее, чем при освоении Луны.
Вопрос освоения Марса затрагивает не только топливо. На данный момент на Маска в должности старшего инженера по освоению Марса трудится… Маргарита Маринова, Которая много лет тому назад выпустила научное исследование о наилучшем методе. терраформирования Красной планеты. Выделение элегаза и других «сверхпарниковых» газов из местных пород позволит удерживать инфракрасное излучение в десятки тысяч раз эффективнее, чем углекислота. Исследователи подсчитали: нагрев четвертой планеты всего на 4 °C вызвал бы таяние углекислотных полярных шапок, увеличение плотности атмосферы и повышение средней температуры до уровня земного (+15 °C).
Такая температура спровоцирует гидрологический цикл из-за таяния льдов и даст растениям возможность преобразовывать углекислый газ в кислород. Поскольку земные растения фотосинтезируют в условиях, аналогичных марсианской атмосфере, как мы уже писали, суша на Марсе сравнима с земной площадью. Таким образом, тот, кто займется терраформированием планеты, подарит своим потомкам вторую обитаемую планету вблизи родной.
Терраформирование отдельных частей Марса, например долин Маринера протяженностью в тысячи километров, возможно даже раньше. Изолировав часть долины куполами из аэрогеля, можно повысить концентрацию элегаза до таких уровней, что на дне долины через некоторое время появятся вполне земные температуры.
Производство любого суперпарникового газа подразумевает химические реакции с поглощением тепла и немалыми энергетическими затратами.
Поэтому терраформирование может осуществляться солнечной энергией — в два раза медленнее, или атомной — вдвое быстрее.
В недавнем интервью Маск указал, что в космических проектах не будет ограничиваться источниками энергии. Скорее всего, речь шла об атомной энергии, так как с ней производство ракетного топлива и преобразование Марса во вторую Землю пойдут значительно быстрее.
Это особенно справедливо для остальных регионов Солнечной системы. Церера обладает подповерхностным океаном, большим количеством льда, а расходы топлива на путешествие к ней примерно равны затратам на полет к Луне. Возможно проведение исследовательских буровых работ для выяснения: существует ли жизнь в её местном океане?
Солнечной энергии там в разы меньше, чем на Марсе, а ночами всё равно темно. Поэтому и в этих местах, и в более отдалённых от Солнца районах нет разумной альтернативы ядерной энергии. Солнечные батареи останутся актуальными для малых баз или исследовательских зондов. Но где потребуется база для нескольких человек или топливо для возвращения на Землю, не говоря уже о настоящей колонизации, АЭС рано или поздно станут единственным решением.